Helmholtz-Jahresrückblick 2025

Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Teilchen des Universums. Sie sind allgegenwärtig, reagieren aber äußerst selten mit Materie und bleiben deshalb nahezu unbemerkt. In der Kosmologie beeinflussen sie unter anderem, wie sich Galaxien nach dem Urknall gebildet haben. Bei Supernova-Explosionen bremsen sie den Kollaps von großen Sternen. Die Entdeckung, dass sie überhaupt eine Masse haben, war eine große Überraschung, denn nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind sie masselos. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) steht das weltweit präziseste Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse: die Großforschungsanlage KATRIN. Sie misst nicht die Masse direkt, sondern analysiert winzige Energieveränderungen beim Betazerfall von Tritium. Aus diesen Abweichungen lässt sich ableiten, wie leicht das Neutrino mindestens sein muss. Dem Forscherteam ist es nun gelungen, die Obergrenze für die Neutrinomasse genauer als je zuvor zu bestimmen. Ein weiteres Puzzlestück auf dem Weg zu einer neuen Physik.

Gletscher weltweit schmelzen schneller als bisher gedacht – mit weitreichenden Folgen für Mensch und Umwelt. Seit dem Jahr 2.000 verlieren sie im Durchschnitt rund 273 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr. Diese enorme Menge lässt nicht nur den Meeresspiegel kontinuierlich steigen, sondern verringert auch die Verfügbarkeit von Süßwasser in vielen Regionen. Besonders stark betroffen sind kleinere Gletscherregionen wie Mitteleuropa, wo seit der Jahrtausendwende bis zu 39 Prozent der Eismasse verloren gegangen sind. Eine internationale Studie gibt erstmals einen umfassenden Überblick über das Ausmaß des Gletscherschwunds. Koordiniert unter anderem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), analysierte das Team eine Vielzahl von Daten aus unterschiedlichen Satellitenmissionen, darunter TanDEM-X, ICESat-2 und GRACE. Besonders auffällig: Der Eisverlust hat sich zuletzt deutlich beschleunigt. In der zweiten Untersuchungsperiode von 2012 bis 2023 lag die jährliche Verlustrate um 36 Prozent höher als in den Jahren davor. Die Studie zeigt zudem, dass Gletscher nach der thermischen Ausdehnung der Ozeane mittlerweile die zweitgrößte Ursache für den weltweiten Anstieg des Meeresspiegels sind – noch vor den Eisschilden Grönlands und der Antarktis. Die Erkenntnisse liefern eine wichtige Datengrundlage für den Klimaschutz, aber auch für konkrete Maßnahmen zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels.

Flüssiger Kohlenstoff kommt im Inneren von Planeten vor und spielt eine wichtige Rolle für Zukunftstechnologien wie die Kernfusion. Bisher war allerdings nur sehr wenig über Kohlenstoff in flüssiger Form bekannt, denn im Labor war dieser Zustand bisher praktisch nicht fassbar: Bei Normaldruck schmilzt Kohlenstoff nicht, sondern geht direkt in einen gasförmigen Zustand über. Erst unter extremem Druck und bei Temperaturen von etwa 4.500 Grad Celsius – dem höchsten Schmelzpunkt eines Materials überhaupt – wird Kohlenstoff flüssig. Kein Behälter würde dem standhalten. Am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg, dem weltgrößten Röntgenlaser mit seinen ultrakurzen Pulsen, ist es einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf gelungen Kohlenstoff für Bruchteile von Sekunden zu verflüssigen. In dem Experiment verflüssigten kurze, hochenergetische Laserpulse Kohlenstoff für wenige Nanosekunden, die für ultraschnelle Röntgenaufnahmen genutzt wurden. So ließ sich die Anordnung der Atome in diesem extremen Zustand erstmals sichtbar machen. Die Ergebnisse zeigen eine wasserähnliche Struktur mit vier Nachbaratomen – und bestätigen theoretische Modelle. Neben grundlegenden Einsichten für die Planetenforschung könnten die Daten künftig auch für die Weiterentwicklung der Kernfusion entscheidend sein.

Die Budgetkürzungen bei der „National Oceanic and Atmospheric Administration“ (NOAA), der Wetter- und Ozeanografiebehörde der USA, könnten künftig dazu führen, dass relevantes Wissen zur Bekämpfung von globalen Herausforderungen wie dem Klimawandel fehlt. Kein zweites Land ist so wichtig für die Infrastruktur wissenschaftlicher Daten wie die USA. Durch ihre Einflussnahme droht die Trump-Regierung Forschenden auf der ganzen Welt eine zentrale Arbeitsgrundlage zu entziehen. Vor diesem Hintergrund setzten das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, gemeinsam mit der Universität Bremen ein wichtiges Zeichen für den Erhalt wissenschaftlicher Grundlagen: Über die Datenplattform PANGAEA wurden erstmals wissenschaftliche Datensätze aus den USA gesichert. Den Anfang machten historische Datensätze zu Erdbeben und heißen Quellen. Ziel der Initiative ist es, gefährdete Datensammlungen nicht nur kurzfristig zu sichern, sondern sie dauerhaft in die offene Infrastruktur von PANGAEA zu integrieren und damit weltweit zugänglich zu machen.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des European Molecule Biology Laboratory (EMBL) und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) hat ein generatives KI-Modell entwickelt, das das Risiko für über 1.000 Krankheiten individuell und langfristig einschätzen kann. Das Modell, das auf anonymisierten medizinischen Daten aus Großbritannien und Dänemark trainiert und getestet wurde, kann Gesundheitsereignisse für eine Zeitspanne von über einem Jahrzehnt prognostizieren. Trainiert wurde es mit anonymisierten Gesundheitsdaten von insgesamt 2,3 Millionen Menschen aus Großbritannien und Dänemark. Wie bei Sprachmodellen analysiert die KI die zeitliche Abfolge medizinischer Ereignisse, um Muster zu erkennen und zukünftige Krankheitsverläufe vorherzusagen – etwa das Risiko eines Herzinfarkts bei bestimmten Altersgruppen. Das System arbeitet nicht mit Gewissheiten, sondern mit Wahrscheinlichkeiten, ähnlich wie Wetterprognosen. Besonders zuverlässig ist das Modell bei chronischen Volkskrankheiten wie Diabetes oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen; bei seltenen oder infektiösen Krankheiten stößt es dagegen an Grenzen. Noch ist es nicht für den klinischen Einsatz freigegeben, bietet aber enorme Perspektiven für die personalisierte Prävention und eine vorausschauende Gesundheitsplanung. Die Forschenden betonen, dass alle Daten unter strengen ethischen Standards verarbeitet wurden – darunter sichere Server, nationale Datenschutzregeln und freiwillige Einwilligungen. Langfristig könnten solche KI-Modelle Gesundheitssysteme weltweit dabei unterstützen, präventiv zu handeln, Risiken früh zu erkennen und Behandlungen individueller zu gestalten.

Fortschritte in Gesundheit, Umwelttechnik oder Mikroelektronik hängen oft davon ab, wie gut wir Materialien im Detail verstehen. Um in die kleinsten Regionen vorzudringen braucht es Maschinen von großem Ausmaß. Am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg soll die Großforschungsanlage PETRA IV entstehen, das leistungsfähigste Röntgenmikroskop seiner Art, das Strukturen und Prozessen – bis in den atomaren Bereich sichtbar macht.  Sie ist eine Weiterentwicklung von PETRA III und nutzt Synchrotronstrahlung mit extrem kleiner Emittanz. PETRA IV wird um ein Vielfaches brillanter, präziser und schneller sein als PETRA III und kann zudem nanoskopische Strukturveränderung auch „filmen“. Rund 20 Prozent der Messzeit sind für industrielle Partner vorgesehen. „Eine derart brillante Röntgenlichtquelle im eigenen Land zu haben, bedeutet Unabhängigkeit: Nicht auf Experimentiermöglichkeiten auf anderen Kontinenten warten zu müssen und einen uneingeschränkten, exklusiven Zugriff auf die gewonnenen Daten zu haben“, erklärt Beate Heinemann. Letzteres sei insbesondere im Wettbewerb mit den USA und China für Europa besonders wichtig. Darüber hinaus hat das Bundesforschungsministerium in diesem Jahr die Weichen für weitere Großprojekte gestellt. Auf der Shortlist für aussichtsreiche Großforschungsanlagen stehen neben PETRA IV drei weitere Helmholtz-Projekte. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) soll DALI Dresden Advanced Light Infrastructure entstehen. Eine ultraschnell getaktete Lichtquelle, die es möglich macht komplexe dynamische Prozesse experimentell zu erfassen. Am Forschungszentrum Jülich die Neutronenquelle HBS-I. Ebenfalls auf der Shortlist ist IceCube Gen2, ein Observatorium mit dem ultraschnelle Neutrinos von weit entfernten kosmischen Ereignissen detektiert werden können. 

Wie praktisch wäre es, wenn man Autos oder ganze Gebäude einfach mit Solarzellen ummanteln könnte. Gedruckte, ultraleichte und flexible Solarmodule, die sich frei formen und in Landwirtschaft, Gebäudehüllen oder mobile Systeme integrieren lassen, können einen Mehrfachnutzen bieten. Die Innovationsplattform SOLAR Tap beschleunigt die Entwicklung dieser Technologie und eröffnet Unternehmen einen schnellen Zugang zu High-End-Forschungsinfrastrukturen, die sonst meist großen Forschungseinrichtungen vorbehalten sind – darunter Rolle-zu-Rolle-Pilotanlagen, High-End-Drucktechnologien und Digitale Zwillinge. So können Firmen Prototypen, neue Materialien oder ganze Fertigungsschritte unter realistischen Bedingungen erproben und schneller in Richtung Anwendung und Markt bringen. Im Mittelpunkt der Innovationsplattform stehen gedruckte, ultraleichte und flexible Solarmodule, die sich frei formen und etwa in der Landwirtschaft, in Gebäudehüllen oder in mobilen Systemen integrieren lassen. Getragen wird Solar TAP von drei Helmholtz-Zentren: dem Forschungszentrum Jülich, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und dem Karlsruher Institut für Technologie. Gemeinsam bündeln sie ihre Anlagen und Kompetenzen zu einem europaweit einzigartigen Innovationsökosystem. Seit 2023 hat sich Solar TAP zu einem zentralen Knotenpunkt für Kooperationen zwischen Forschung und Industrie entwickelt: Inzwischen gehören mehr als 50 Unternehmen dazu – von Start-ups bis zu globalen Marktführern, darunter praktisch alle wichtigen Hersteller neuartiger, kommerziell noch nicht etablierter Solarzellen. Zudem kooperieren in Forschungsprojekten inzwischen über 60 Firmen mit der Plattform.

Die Strahlentherapie zählt zu den zentralen Säulen in der Behandlung von Krebserkrankungen. Während herkömmliche Strahlung mit Photonen oft auch gesundes Gewebe beschädigt, erlaubt die Bestrahlung mit geladenen Teilchen wie Protonen oder Schwerionen eine deutlich präzisere Dosierung: Die Teilchen geben ihre Energie gezielt im Tumor ab und schonen umliegende Strukturen. Ionenstrahlen – insbesondere Kohlenstoffionen – können zudem selbst strahlenresistente Tumorzellen effizienter zerstören. Einem interdisziplinären Forscherteam am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/FAIR ist erstmals die Behandlung eines Tumors bei einem Tier mit radioaktiven Ionenstrahlen demonstriert. Im Zentrum der veröffentlichten Arbeit steht die zukunftsweisende Idee, radioaktive Ionenstrahlen gleichzeitig zur Behandlung und zur Bildgebung während der Therapie einzusetzen. Möglich wurde dieser Ansatz durch die hohe Strahlintensität, die Forschende an der Beschleunigeranlage von GSI/FAIR erzeugen konnten. In der Studie wurde ein Osteosarkom bei einer Maus mit einem 11C-Kohlenstoff-Ionenstrahl präzise zerstört – ohne neurologische Nebenwirkungen. Ein speziell entwickelter PET-Scanner der LMU München ermöglichte die exakte Verfolgung der Strahlung im Körper in Echtzeit. Das interdisziplinäre Projektteam arbeitete international zusammen, unter anderem mit der LMU München und einem japanischen Forschungslabor. Die Ergebnisse zeigen, dass bildgestützte Strahlentherapie mit radioaktiven Ionenstrahlen durchführbar, sicher und effektiv ist. Sie markieren einen bedeutenden Schritt hin zur klinischen Anwendung dieser innovativen Therapieform.